معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يطور منصة حوسبة دقيقة من بوليمر مرن تحاكي الجهاز العصبي للأخطبوط

في أعماق المحيط، يستطيع الأخطبوط تغيير لون جلده على الفور، دون الحاجة إلى إرسال كل قرار صغير إلى الدماغ المركزي. فمجساته تفكر محليًا. وقد نجح باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تحويل هذه السحرية اللامركزية المرنة إلى ابتكار حوسبى دقيق. يستخدم هذا التصميم الجديد جهازًا حوسبًا نانويًا مصنوعًا من بوليمر مرن وقابل للانثناء لمعالجة المعلومات داخل وحدة مجهرية واحدة. واللافت أن المنصة تحاكي الطريقة التي يستخدم بها الدماغ البيولوجي الحركة الفيزيائية في إجراء العمليات الحسابية. إذ تُختصر أنظمة إلكترونية معقدة في عبوة فائقة الرقة وموفرة للطاقة، مما قد يُسهم في تطوير الروبوتات الذكية، والضمادات الطبية القابلة للارتداء، وأجهزة الاستشعار المتوافقة حيويًا.

الإلهام التقني من الأخطبوط

استلهامًا من الأجهزة العصبية الموزعة في كائنات مثل الأخطبوط، تستخدم هذه التقنية مواد بوليمرية مرنة تنضغط وترتد عند تطبيق جهد كهربائي، محاكيةً الطريقة التي تخزن بها الخلايا العصبية في الدماغ المعلومات وتطلقها. ومن خلال دمج هذه الوظائف مباشرة داخل المادة، تنخفض الحاجة إلى دوائر خارجية ضخمة ومصادر طاقة ثقيلة. غير أن هذه المهمة لم تكن سهلة. فقد واجه مهندسون آخرون، في محاولات سابقة، عقبات فيزيائية عند محاولة بناء حواسيب ميكانيكية على المقياس النانوي. فعندما يقترب سطحان معدنيان جدًا من بعضهما، تلتصق جزيئاتهما بشدة فيلتصقان معًا بشكل دائم، ما يؤدي إلى تعلّق المكونات وفشل الجهاز.

ولحل هذه المشكلة، أدخل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طبقة رقيقة للغاية من بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) بين قطبين معدنيين. وPDMS هو بوليمر مرن ذي سلوك لزج مرن.

يستخدم هذا الجهاز النانوي ثلاثة مكونات أساسية تعمل بالتنسيق لمحاكاة الحوسبة البيولوجية. تستقبل الأقطاب المعدنية الإشارات الكهربائية الواردة وتنضغط عند تطبيق جهد كهربائي. وتعمل طبقة PDMS المرنة المحصورة بينهما بمثابة نابض نانوي لزج مرن، يُوازن قوى الالتصاق ويسمح للأقطاب بالحركة بشكل عكسي دون أن تلتصق بشكل دائم. كما أن الارتداد التدريجي للبوليمر يخلق ذاكرة ميكانيكية قادرة على الاحتفاظ بتاريخ القوى المطبقة عبر الزمن. وقال بيتر ساتفيت، أحد المؤلفين الرئيسيين المشاركين: «يتمتع PDMS بسلوك لزج مرن، مما يعني أنه يحتاج إلى وقت ليعود إلى حالته الأصلية بعد انضغاطه. وهذا يُمكّن الجهاز من تذكر ديناميكي لتاريخ القوى والفولتية المطبقة عليه، وتحويل هذا التاريخ إلى استجابة كهربائية».

آلية عمل الجهاز

تتراكم الشحنات بمرور الوقت. وحالما تصل إلى عتبة معينة، يطلق الجهاز إشارة — تمامًا مثل الخلايا العصبية البيولوجية — ثم يسترخي لإعادة الضبط. فتتراكم الإشارات الكهربائية في الخلايا العصبية البيولوجية حتى تبلغ عتبة معينة، وعندها تطلق إشاراتها وتنقل المعلومات. ويُقلّد جهاز فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هذه الآلية: فيضغط الجهد المطبق طبقة البوليمر ببطء حتى تجاوز العتبة، فيُطلق إشارة بأسلوب بيولوجي، ثم يسترخي لإعادة الضبط. ويستهلك الذكاء الاصطناعي الحديث كميات كبيرة من الكهرباء لأن الأجهزة تنقل البيانات باستمرار بين وحدات الذاكرة والمعالجة المنفصلة. أما منصة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فتلغي هذا المسار بالكامل.

فالذاكرة والإدراك والمنطق تحدث في الموقع ذاته. ومن خلال دمج الذاكرة والحوسبة مباشرة في مكون نانوي واحد، تنخفض الحاجة إلى دوائر أو مكثفات إضافية.

آفاق التطبيقات المستقبلية

يفتح هذا الجهاز المرن المستوحى من الدماغ آفاقًا أمام الجيل القادم من المنتجات الإلكترونية التكيفية، بما في ذلك الحوسبة الطرفية منخفضة استهلاك الطاقة، والأطراف الصناعية الذكية، وأجهزة مراقبة الصحة القابلة للارتداء، وأجهزة الاستشعار البيئية المستقلة. ويخطط الباحثون لاحقًا لدمج الإدراك مباشرة مع الذاكرة والحوسبة لإنشاء أنظمة حوسبة نانوميكانيكية متكيفة بالكامل. وقد نُشرت الدراسة في مجلة Science Advances.

العنصر	المواصفات
المعالج	جهاز حوسبة نانوي
المادة	بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS)

الأثر المحتمل لهذه التقنية

يُظهر هذا البحث من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كيف يمكن تطبيق التصاميم المستوحاة من البيولوجيا على تقنيات الحوسبة، لا سيما أن استخدام البوليمرات المرنة يجعل الأجهزة أكثر تكيفًا وكفاءة. ولا يقتصر هذا النهج اللامركزي في الحوسبة على تقليل استهلاك الطاقة، بل يتيح أيضًا تحقيق مستوى أعلى من التكامل في الأجهزة الذكية المستقبلية، مما يعزز تطوير التقنيات القابلة للارتداء والروبوتات الذكية. ومع نضج التقنية أكثر، تمتلك هذه الأجهزة الحاسوبية النانوية القدرة على أداء دور مهم في مجالات الطب والرصد البيئي وغيرها.